5G 的關鍵在於高頻毫米波頻段中的資料、速度和可靠性。缺少傳統的外部 射頻聯結器讓 5G 裝置特性的評估充滿挑戰。然而，對於需要考慮多個到達角的波束賦形場景，使得測試佈置的複雜性又上一層樓。例如，採用新穎的多重緊縮式天線測試場 (CATR)，可以顯著減少無線資源管理 (RRM) 測量所需的空間，同時在所定義的能夠覆蓋整個無線裝置的靜區內保持較低的測量不確定度。

在 5G FR2 毫米波頻段中，裝置的一些測量用例需要用多個到達角來體現：MIMO（一種具有兩個或多個空間分集以提高資料速度的技術，4G 和 5G 中均有使用）、具有多重衝擊波的 RF 衰落、同時監控帶內和雜散發射，以及 RRM。1 一個常見的 RRM 場景示例是 5G 無線終端裝置監控多個基站的功率電平，並在第一個基站的訊號下降到給定閾值以下時切換到其他的基站。

假設這些基站位於無線裝置的遠場範圍，透過 Fraunhofer 公式計算遠場距離：RFF = 2D2/λ，其中 RFF 為遠場距離，D 為靜區或被測裝置 (DUT) 尺寸，λ 為波長。對於最大對角線為 30 cm 的典型無線裝置，在頻率為40 GHz 時，RFF 約為 24 m。儘管毫米波天線陣列模組的口徑為 1 - 2 cm，但通常需要幾個模組放置在裝置內部的不同位置，並且可以同時工作，這需要一種“黑盒”的方式，即最小靜區受制於裝置的最大尺寸。

RRM 和 RF 衰落的測量技術包括 使用電纜測量的7 GHz 以下測試系統；以及24 GHz 以上 時DUT的基於遠場無線空口 (OTA) 測試系統。儘管電纜測量更為快捷和簡單，但並不能像無線 OTA 測量那樣體現真實環境狀況。為模擬 DUT 在遠場狀況下的的多個基站或多個到達角，通常會將探頭或發射天線放置在與所需靜區尺寸或最小允許測量不確定度相對應的距離處。2 在毫米波頻段內測量較大的無線裝置，會導致需要佔用較大佔地面積。如果探頭位置與 DUT 之間的距離遠小於 Fraunhofer 距離，測量不確定度會增加。

考慮一個 頻率為40 GHz 的 30 cm 靜區，實現探頭角度間隔為 150 度的話，直接遠場法的 RRM OTA 系統需要至少 45 × 12 m的空間，。另一種選擇是使用 CATR 的間接遠場方法，這種方法可以減小測量距離並縮小測量系統尺寸。

本文提出一種新穎的多重 CATR (multi-CATR) 方法，以減少所需的 RRM 測量佔用空間（長 × 寬），同時在覆蓋整個無線裝置的靜區內保持較低的測量不確定度。3 對於 30 cm 的靜區，佔用空間為 4.6 m2。這種佈置可以模擬多個基站對與 DUT 互動的場景，4 並且這種測量方法的相關性和準確性已經得到證明。

圖1. 3GPP RRM規範要求的五個基站對可以使用四個天線來實現

RRM 技術引數

3GPP 的 5G FR2 RRM 技術引數定義了五組基站，以 30°、60°、90°、120°、150° 的角度位置定位。5 無線裝置對於和不同頻率或不同時隙的廣播配對場景進行效能測量。圖 1 顯示瞭如何使用四個天線探頭位置實現角度分佈，而不是在 0°、30°、60°、90°、120°、150 °使用六個天線探頭。探頭 2和探頭3 用於 60 °角度分佈，探頭 2和探頭4 用於 120 °角度分佈。由於 3GPP 技術引數僅考慮探頭成對切換，因此探頭佈置在同一個平面內。藉助 DUT 雙軸轉檯系統，測量佈置可模擬 3D 多到達角系統。例如，透過結合轉檯系統的移動和成對探頭之間的快速切換，以及單個探頭的功率控制，可以模擬移動 DUT 的動態到達角場景進行測量。

採用這種系統可實現的 3GPP RRM 測試用例包括相鄰小區功率測量、移動場景、波束管理和無線鏈路監控。RRM 測試用例中的基本測量引數是基於同步訊號的參考訊號接收功率 (SS-RSRP)，1 定義為來自包含同步訊號單元的功率貢獻的線性平均值。在所有 RRM 測試場景中，無線裝置均會使用每個小區測得的 SS-RSRP 做出決策。

圖2. 典型CATR概念

CATR 反射面設計

CATR 使用拋物面反射面，在焦點處放置饋源天線，將球面波前轉換為平面波分佈，反之亦然（見圖 2）。在本文討論的測試系統中，CATR 反射面針對 30 cm 靜區設計，尺寸為 52 × 54 cm。反射器採用混合卷邊設計，以便最大程度減少靜區內的衍射和散射並縮小系統尺寸。6 卷邊設計的反射面最低頻率 設計為6 GHz。頻率上限為 200 GHz，由 表面粗糙度Rq < 1 µm和 算術平均表面粗糙度Ra < 1.6 µm確定。反射面焦距為 70 cm，以便最大程度縮小系統尺寸。使用雙極化圓形扼流槽波紋喇叭作為饋源天線以補償短焦距，該天線在 23.45 - 44.3 GHz 之間具有 60 度的半功率波束寬度。圓形扼流槽波紋喇叭由波導正交模轉換器實現兩個正交極化的饋給。

間接遠場 CATR 系統與直接遠場系統一樣，可以對RF 收發器在發射和接收模式下實時測量，測量不確定度取決於測試佈置的動態範圍。CATR 系統的動態範圍可以遠大於直接遠場方法的動態範圍。這種提升源於 CATR 系統的自由空間路徑損耗較低，因為球面波在饋源和反射面之間的傳播區域有限。間接遠場系統內的 RF 電纜通常比直接遠場系統短，因為 CATR 饋源天線通常安裝在靠近暗室牆壁或地板的位置。

圖3. 多反射面CATR系統原型，包括四個反射面，這些反射面的元件位於遮蔽全波暗室內

多重 CATR 佈置

設計了具有 3D 定位系統的多重 CATR 原型，可最大程度地減少系統佔用空間，同時將靜區尺寸增加 50%（參見圖 3）。反射面和饋源天線分別用鐳射與轉檯系統上的靜區中心對準，可減少由饋源和反射面錯位引起的測量不確定度。多重 CATR 系統的靜區均勻性可採用兩種方法評估：3GPP 規定的的靜區特性方法和 2D振幅與相位的場掃描，用於提取線性錐度和紋波。

3GPP 方法需要由 322 個獨立的DUT角度和空間位置所測量的3D 方向圖結果，總輻射功率變化限制在 0.6 dB。3GPP 靜區測量不確定度指標包括一些因素，例如定位的影響、饋源錯位、暗室尺寸、吸波材料厚度以及暗室內放置的諸如通訊天線等其他物體的影響。FR2 頻段的平均錐度和紋波分別為 0.8 和 0.2 dB。3GPP靜區 質量測量不確定度的測量使用 A-Info LB180400-10 低增益喇叭天線替代 DUT，根據 3GPP規範進行計算，在23.45 - 40.8 GHz 結果平均為 0.3 - 0.4 dB，交叉極化平均不確定度小於 0.07 dB。7

如圖 3 所示，在垂直多重 CATR 系統中，四個 CATR 佈置在一個可移動式電波暗室內，位於 DUT 上方垂直弧線上指定的探頭角位置，DUT 安裝在 3D 轉檯系統上。為防止相鄰卷邊的散射進入靜區，在所有相鄰的反射面之間以及反射面下方 150 度放置吸波材料擋塊。系統佔地面積為 3.25 × 1.4 米，高度為 2 米。頻率為 40 GHz 時，自由空間路徑損耗為 62.15 dB，對於 30 cm 直徑等效靜區，動態範圍與直接遠場方法相比提高近 30 dB,直接遠場測試距離為 24 米，自由空間路徑損耗為 92 dB。

測量

將帶有八根電纜的四個雙極化 CATR 饋源天線連線到 R&S OSP120 射頻開關單元上，將電纜輸出到對應的臺式測量裝置以及垂直多重 CATR 原型裝置。這樣，測量儀器就可以連線到任何單個或成對饋源天線的極化，切換時間低於 10 毫秒。系統可以進行兩套測量：

使用 CW 的非信令測量 — 四埠 R&S ZVA67 向量網路分析儀使用 20 dBi 標準增益喇叭作為 DUT，測量天線增益方向圖。該測量佈置可以評估不同頻率下不同反射面之間的增益方向圖的相似性。

使用有源無線裝置的信令測量 — 使用非獨立組網 (NSA) 5G 無線裝置監控單個位置上不同配對基站對之間的訊號電平。在 NSA 模式下，5G 無線裝置使用 LTE 基站進行裝置信令傳送和控制。多重 CATR 原型系統中的 LTE 通訊天線是 R&S TS-F24V3 單極化維瓦爾第天線，連線到 R&S CMW500 通訊測試儀，用於 LTE 信令。CMX500無線通訊測試儀向 5G 無線裝置傳送和接收 5G FR2 基站訊號。

圖4. 在28（a）和40（b）GHz頻率下20 dBi標準增益喇叭DUT的垂直多CATR系統天線方向圖測量

圖 4 展示使用非信令 CW 訊號測得的天線方向圖。為簡潔起見，僅顯示 28 GHz 和 40 GHz 標準增益喇叭天線的 H 平面方向圖。四個反射器在這兩個頻率上的方向圖相似，證明了本文提出的多重 CATR 概念具有適用性。

最後一套測量使用多重 CATR 系統對支援 5G FR2 頻段的商用無線裝置進行測試，評估了兩個有源小區場景中 SS-RSRP 測量的精度。按照 3GPP TS38.533 附件 G 的建議，5重複測量 33 次以達到統計顯著性。（有關其他測量場景的討論之前已發表，未包括在本文中。3）

圖5. RRM測試展示了不同AoA到達DUT報告兩個小區的頻間SS-RSRP的結果

在具有兩個有源基站小區的 RRM 測試場景中（無線裝置有兩個到達角），每迭代 20 次，發射功率電平變化 ±10 dB，以確定無線裝置是否可以同時準確監控兩個基站。此場景採用 0 度和 90 度的 CATR 佈置，放置無線裝置時使其後部面向 45 度，即兩個 CATR 佈置之間。即使其中一個基站的功率明顯高於另一個，該無線裝置仍然可以同時接收多個方向的訊號（參見圖 5）。測量結果顯示，發射功率較高且信噪比較大時，兩個小區的報告均在預期 SS-RSRP 的 1 dB 範圍內，而發射功率較低和信噪比較小時，兩個小區的報告也均在預期 SS-RSRP 的 1-3 dB 範圍內。此商用無線裝置不同方向的增益和極化未知，但商用產品仍然滿足假設的3GPP 要求的預期。

圖 5 顯示在10 dB發射功率之間切換回報正確，沒有延遲。最低預期SS-RSRP 電平為 -124 dBm，低於 3GPP 定義的參考靈敏度限制，商用無線裝置的內部噪聲導致發射功率較低時產生較高測量誤差。小區 1 的 SS-RSRP 報告整體高於小區 2，與第一個 RRM 測試場景結果相符，30 度位置的反射面的 SS-RSRP 報告也高於 150 度位置的反射面 SS-RSRP 報告。綜上所述，從裝置頂部接收訊號時，商用無線裝置具有更高的天線增益，這與天線模組的位置一致。

結論

本文提出的多重 CATR 系統可精確測量無源非信令或有源信令模式下執行的不同型別 DUT，並可精確測量單個到達角和同時測量多個到達角。本文提出的系統使用多重反射面以及不同型別的測量儀器和訊號，靜區測量誤差較低。透過最大程度減少相鄰反射面間的干擾，可以使用單個測量系統進行 RF 和多角度測量。因此，該多重 CATR 系統可實現一系列新應用：

透過為每個反射面使用單獨的收發器，可以進行空間 MIMO 測量。

透過使饋源進一步遠離焦點，將平面波方向偏移 5 到 10 度，可以構建 RF 衰落場景用於 5G 無線裝置特性測量。

針對 6G 提出的智慧反射面 (IRS)，可以透過指定一個子集的反射面作為基站、其餘子集作為使用者裝置來測量，完整評估位於遠場內的每個使用者和基站之間彼此的 IRS 效能。

使不同角度反射面的饋源天線工作在不同的頻段中，可同時進行 6 - 140 GHz 的寬頻測量，這對於測量帶內輻射的帶外雜散發射效能非常重要。

致謝

本文作者致謝這些為概念性討論和測量提供協助的羅德與施瓦茨團隊成員：Jose Fortes、Engelbert Tyroller、Anes Belkacem 和 Mert Celik。

References

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